EP0452343A1 - Pleuelstange. - Google Patents

Pleuelstange.

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EP0452343A1
EP0452343A1 EP90900158A EP90900158A EP0452343A1 EP 0452343 A1 EP0452343 A1 EP 0452343A1 EP 90900158 A EP90900158 A EP 90900158A EP 90900158 A EP90900158 A EP 90900158A EP 0452343 A1 EP0452343 A1 EP 0452343A1
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EP
European Patent Office
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connecting rod
component
casting
cast
graphite
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EP90900158A
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EP0452343B1 (de
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Erwin Korostenski
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/02—Constructions of connecting-rods with constant length
    • F16C7/023—Constructions of connecting-rods with constant length for piston engines, pumps or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16—Fibres

Definitions

  • the invention relates to a connecting rod according to the preamble of claim 1.
  • a connecting rod is known for example from DE-AS 1287868.
  • the connecting rod of an internal combustion engine is exposed to a high pressure load generated by the ignition pressure during operation.
  • the connecting rod shaft is usually fitted with a
  • Such a connecting rod can be produced by forging or casting with relatively little effort. For higher pressure loads,
  • connecting rods with a connecting rod shaft with an H-shaped cross section are used, which have a much greater resistance to buckling, but are very expensive to manufacture.
  • increased strength is generally achieved, but also with considerably higher manufacturing costs.
  • Increasing the kink resistance by increasing the wall thickness of the connecting rod shaft is a limit for reasons of weight alone
  • the invention has for its object to provide a connecting rod of the generic type, which is characterized by a low weight and high resistance to buckling and can be manufactured inexpensively compared to fiber-reinforced connecting rods.
  • a tensile stress is generated in the cast material during the manufacture of the connecting rod by the cast-in component, by which the compressive stress occurring during operation is reduced.
  • the connecting rod can thus be designed for a lower maximum compressive stress and can therefore be made lighter.
  • the connecting rod according to the invention is produced in a conventional manner by inserting the elongate component into the mold and then casting the casting material around it.
  • the component When steel is used as the casting material, the component is heated to about 500 - 700 ° and expands accordingly.
  • the liquid casting material cools down and, after reaching the solidification temperature, the cast-in casting material begins to pressurize the cast-in component. Since the coefficient of expansion of the component is smaller than that of the casting material, the casting material cannot contract freely and tensile stresses build up in it. When the ignition forces are subjected to pressure during operation, these tensile stresses are reduced before the connecting rod is subjected to pressure. This allows the connecting rod to be designed according to the resulting compressive forces, which are smaller than with the usual design.
  • tensile stresses can be generated in the casting material in the production of the connecting rod according to the invention, which can amount to up to 60% of the maximum compressive stresses occurring during operation.
  • the connecting rod shaft then only needs to be designed for around 40% of the maximum compressive stress occurring during operation, which can lead to a weight saving of up to 60% for the connecting rod shaft with a connecting rod with the same kink resistance.
  • steel as the casting material and graphite for the cast component, a weight reduction of at least can be achieved
  • the maximum pressure load on the connecting rod due to the ignition pressure is assumed to be 5 t
  • the tensile load due to the mass acceleration forces in TDC is 1 t and the component in the cast material results in a tensile stress of
  • the tensile load also increases to 3 t.
  • the weight of the connecting rod is increased by the weight of the cast component.
  • steel, titanium or a light metal alloy are the most suitable casting materials.
  • Preferred materials for the elongated component are graphite and ceramic materials, in particular sintered bodies made of boron nitride, silicon nitride,
  • Al 2 TiO 5 aluminum titanate
  • the table below shows the characteristic values of these materials that are relevant to the invention.
  • T s melting temperature
  • the component preferably extends essentially over the entire length of the connecting rod shaft.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a connecting rod according to the invention
  • Figure 2 shows a section along line 2-2 in Figure 1 and
  • FIG. 3 is a diagram showing the thermal expansion of the above
  • the connecting rod for an internal combustion engine shown in FIG. 1 consists of a cast part which has a piston pin eye 1, a half crankshaft bearing eye 2 and a connecting rod shaft 3 which connects parts 1 and 2.
  • an elongated component 4 is cast, which consists of a
  • the diagram of FIG. 3 shows the change in the linear coefficient of thermal expansion of graphite (C), titanium (Ti), steel (Fe) and a light metal alloy (A1) as a function of the temperature (T). While the thermal expansion of graphite remains essentially the same in the area of interest up to the solidification temperature of the casting material, which also applies to the ceramic materials specified for component 4, the coefficient of thermal expansion for the casting material increases more or less. When the casting material cools below the solidification temperature, which is about 800 ° - 1000 ° C for steel and titanium and about 500 ° C for the light alloy, there is a strong contraction of the casting material, while the expansion coefficient of the material of component 4 im remains essentially constant.
  • the casting material Since the casting material is prevented by the component 4 from contracting freely, a high tensile stress is built up in the casting material, which, as described above, considerably reduces the maximum pressure load on the connecting rod during operation.
  • Which material pairing is selected depends on the type of internal combustion engine for which the connecting rod is intended. In racing engines, which normally run at a very high speed, the tensile stress that occurs during operation is relatively high, so that one will choose a pair of materials with which a lower tensile stress is induced in the cast material during the production of the connecting rod than in the case of a connecting rod for a series engine , in which the difference between tensile and compressive loads occurring during operation is greater due to the lower speeds.
  • the casting process should be carried out under at least partial vacuum in order to avoid decomposition of the graphite and carburization of the same when using steel as the casting material.

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Description

Pleuelstange
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Pleuelstange entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Pleuelstange ist beispielsweise aus der DE-AS 1287868 bekannt.
Die Pleuelstange einer Brennkraftmaschine wird im Betrieb einer hohen, durch den Zünddruck erzeugten Druckbelastung ausgesetzt. Um ein Ausknicken des Pleuels unter dieser Druckbelastung zu vermeiden, wird der Pleuelschaft in der Regel mit einem
I-förmigen Querschnitt ausgeführt. Eine derartige Pleuelstange läßt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand durch Schmieden oder Gießen herstellen. Für höhere Druckbeanspruchungen,
beispielsweise in Rennmotoren, werden Pleuelstangen mit einem Pleuelschaft mit H-förmigen Querschnitt verwendet, die eine wesentlich größere Knickfestigkeit haben, jedoch in der Herstellung sehr teuer sind. Bei faserverstärkten Pleuelstangen wird allgemein eine erhöhte Festigkeit erreicht, allerdings ebenfalls unter Inkaufnahme erheblich höherer Herstellungskosten. Eine Steigerung der Knickfestigkeit durch Vergrößerung der Wandstärke des Pleuelschaftes sind schon aus Gewichtsgründen Grenzen
gesetzt.
Bei den bekannten Maßnahmen zur Erhöhung der Knickfestigkeit des Pleuels wird im wesentlichen im gleichen Maße auch die Zugfestigkeit erhöht, obgleich die Zugbelastung bei einem Saugmotor nur etwa 1/8 und bei einem Turbomotor nur etwa 1/14 der maximalen Druckbelastung beträgt. Die bekannten Pleuelstangen sind somit in Bezug auf die Zugbelastung außerordentlich überdimensioniert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pleuelstange der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die sich durch ein geringes Gewicht und eine hohe Knickfestigkeit auszeichnet und verglichen mit faserverstärkten Pleuel kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird bei der Herstellung des Pleuels durch das eingegossene Bauteil in dem Gußmaterial eine Zugspannung erzeugt, um welche die im Betrieb auftretende Druckspannung verringert wird. Die Pleuelstange kann somit auf eine niedrigere maximale Druckspannung ausgelegt und entsprechend leichter ausgeführt werden.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Pleuelstange erfolgt in üblicher Weise dadurch, daß das langgestreckte Bauteil in die Form eingelegt und dann mit dem Gußmaterial umgössen wird. Bei der Verwendung von Stahl als Gußmaterial wird das Bauteil dabei auf etwa 500 - 700° erwärmt und dehnt sich entsprechend aus. Das flüssige Gußmaterial kühlt sich ab und nach dem Erreichen der Erstarrungstermperatur beginnt durch das Zusammenziehen des erstarrenden Gußmaterials eine Druckbeaufschlagung des eingegossenen Bauteils. Da der Ausdehnungskoeffizient des Bauteils kleiner ist als der des Gußmaterials, kann sich das Gußmaterial nicht frei zusammenziehen und es bauen sich in ihm Zugspannungen auf. Bei der Druckbelastung durch die Zündkräfte im Betrieb werden zunächst diese Zugspannungen abgebaut, bevor die Pleuelstange auf Druck beansprucht wird. Damit kann die Auslegung der Pleuelstange nach den resultierenden Druckkräften erfolgen, die kleiner sind als bei der üblichen Auslegung. Durch entsprechende Wahl der Werkstoffe für das Gußmaterial und das Bauteil lassen sich bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Pleuelstange in dem Gußmaterial Zugspannungen erzeugen, die bis zu 60 % der in Betrieb auftretenden maximalen Druckspannungen betragen können. Der Pleuelschaft braucht dann nur auf etwa 40 % der im Betrieb auftretenden maximalen Druckspannung ausgelegt zu werden, was bei einer Pleuelstange mit gleicher Knickfestigkeit zu einer Gewichtseinsparung von bis zu 60 % für den Pleuelschaft führen kann. Dies gilt für eine Materialpaarung mit Titan als Gußmaterial und Graphit als Material für das eingegossene Bauteil. Bei Stahl als Gußmaterial und Graphit für das eingegossene Bauteil läßt sich eine Gewichtsreduzierung von mindestens
20 - 30 % für den Pleuelschaft erreichen.
Wird beispielsweise als maximale Druckbelastung der Pleuelstange durch den Zünddruck ein Wert von 5 t angenommen und beträgt die Zugbelastung durch die Massenbeschleunigungskräfte in OT 1 t und wird durch das Bauteil in dem Gußmaterial eine Zugspannung von
2 t erzeugt, so verringert sich die maximale Druckbelastung auf
3 t, während die Zugbelastung auf ebenfalls 3 t steigt. Dadurch kann die Masse des Gußmaterials um 40 % verringert werden. Das Gewicht der Pleuelstange wird zwar durch das Gewicht des eingegossenen Bauteils erhöht. Da das Material des Bauteils jedoch eine erheblich geringere Wichte hat, ergibt sich insgesamt eine Gewichtseinsparung von etwa 20 - 30 %. Als Gußmaterial kommt in erster Linie Stahl, Titan oder eine Leichtmetallegierung in Frage. Bevorzugte Werkstoffe für das langgestreckte Bauteil sind Graphit und keramische Stoffe, insbesondere Sinterkδrper aus Bornitrid, Siliziumnitrid,
Siliziumcarbid und Aluminiumtitanat (Al2TiO5) sowie für den Fall, daß Stahl als Gußmaterial verwendet wird, auch Titan. In der nachfolgenden Tabelle sind die für die Erfindung maßgeblichen Kennwerte dieser Werkstoffe aufgeführt.
α (μm/m ºK) γ (g/cm3) Ts (ºC)
A. Gußmaterial
Vergütungsstahl 12 - 19 7,8 1500
Titan 8 - 9.4 4,5 1900
Al-Legierung 18 - 24 2,7 700
B. Kernmaterial
Graphit 2,5 1,65 - 2,2 3800
Bornitrid 4,6 1,8 - 2,0 2300
Siliziumnitird 3,0 2,3 - 2,6 2300
Siliziumcarbid 4,0 3,0 2300
Al2-TiO5 2,0 3,2 α = linearer Ausdehnung;skoeffizient
γ = Wichte
Ts = Schmelztemperatur Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß Graphit aufgrund seines kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten und seiner geringen Wichte ein bevorzugter Werkstoff für das Bauteil ist, da er einerseits in dem Gußmaterial eine hohe Zugspannung erzeugen kann und andererseits das Gewicht des Gußteils nur wenig erhöht. Die angegebenen Keramikwerkstoffe sind jedoch gleichermaßen für die angegebenen Gußwerkstoffe geeignet. Bei Stahl als Gußwerkstoff ist für das Material des eingegossenen Bauteils auch Titan möglich, dessen Ausdehnungskoeffizient und dessen Wichte erheblich geringer sind als diejenigen von Stahl.
Vorzugsweise erstreckt sich das Bauteil im wesentlichen über die ganze Länge des Pleuelschaftes.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Pleuels,
Figur 2 einen Schnitt entlang Linie 2-2 in Figur 1 und
Figur 3 ein Diagramm, aus dem die Wärmedehnung der vorstehend
erwähnten. Werkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt sind.
Die in Figur 1 dargestellte Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine besteht aus einem Gußteil, das ein Kolbenbolzenauge 1, ein halbes Kurbelwellen-Lagerauge 2 und einen Pleuelschaft 3 aufweist, der die Teile 1 und 2 verbindet. In dem Pleuelschaft 3 ist ein langgestrecktes Bauteil 4 eingegossen, das aus einem
Material besteht, welches ein geringeres spezifisches Gewicht, einen kleineren linearen Ausdehnungskoeffizienten und einenhöheren Schmelzpunkt als jdas .Gußmaterial hat. Bei der Herstellung der Pleuelstange durch Umgießen des Bauteils 4 in einer Form werden aufgrund des geringeren Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Bauteils 4 indem den Pleuelschaft 3 bildenden Gußmaterial Zugspannungen aufgebaut. Bei der im Betrieb stattfindenden Druckbelastung der Pleuelstange durch die Zünddrücke wird zunächst diese Zugspannung abgebaut, bevor die Pleuelstange auf Druck beansprucht wird. Die maximale Druckbelastung, für die die Pleuelstange ausgelegt werden muß, ist somit um den Betrag dieser bei der Herstellung erzeugten
Zugspannung verringert. Entsprechend kann die Masse und damit das Gewicht des. den Pleuelschaft 3 bildenden Gußmaterials verringert werden.
Das Diagramm .von Figur 3 zeigt die Änderung des linearen Wärmedehnungskoeffizienten von Graphit (C), Titan (Ti), Stahl (Fe) und einer Leichtmetalllegierung (A1) in Abhängigkeit von der Temperatur (T). Während die Wärmedehnung von Graphit in dem hier interessierenden Bereich bis zur Erstarrungstemperatur des Gußmaterials im wesentlichen gleich bleibt, was im übrigen auch in etwa für die angegebenen keramischen Werkstoffe für das Bauteil 4 gilt, steigt der Wärmedehnungskoeffizient für das Gußmaterial mehr oder weniger stark an. Bei der Abkühlung des Gußmaterials unter die Erstarrungstemperatur, die für Stahl und Titan bei etwa 800° - 1000° C und für die Leichtmetallegierung bei etwa 500° C liegt, findet eine starke Zusammenziehung des Gußmaterials statt, während der Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des Bauteils 4 im wesentlichen konstant bleibt. Da das Gußmaterial durch das Bauteil 4 daran gehindert ist, sich frei zusammenzuziehen, wird in dem Gußmaterial eine hohe Zugspannung aufgebaut, wodurch, wie vorher beschrieben, die maximale Druckbelastung der Pleuelstange im Betrieb erheblich reduziert wird. Welche Materialpaarung gewählt wird, hängt von der Art der Brennkraftmaschine ab, für welche die Pleuelstange bestimmt ist. Bei Rennmotoren, die normalerweise mit sehr hoher Drehzahl laufen, ist die im Betrieb auftretende Zugspannung verhältnismäßig hoch, so daß man eine Materialpaarung wählen wird, mit der bei der Herstellung der Pleuelstange in dem Gußmaterial eine geringere Zugspannung induziert wird als bei einer Pleuelstange für einen Serienmotor, bei dem aufgrund der niedrigeren Drehzahlen der im Betrieb auftretende Unterschied zwischen Zug- und Druckbelastung größer ist.
Wird als Material für das Bauteil 4 Graphit gewählt, so sollte der Gießvorgang unter zumindest teilweisem Vakuum erfolgen, um eine Zersetzung des Graphits und bei der Verwendung von Stahl als Gußmaterial ein Aufkohlen desselben zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche
1. Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gußteil, das ein Kolbenbolzenauge, ein halbes Kurbelwellen-Lagerauge und einen diese verbindenden Pleuelschaft aufweist, in den ein langgestrecktes Bauteil eingebettet ist, das mit dem Gußmaterial verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (4) aus einem druckfesten Material besteht, das
a) einen kleineren linearen Ausdehnungskoeffizienten,
b) ein geringeres spezifisches Gewicht und
c) einen höheren Schmelzpunkt
als das Gußmaterial hat.
2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußmaterial Stahl ist und das langgestreckte Bauteil (4) aus einem Material aus der Gruppe umfassend Graphit, Keramik, Aluminiumtitanat und Titan, besteht.
3. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußmaterial Titan ist und das langgestreckte Bauteil (4) aus einem Material der Gruppe umfassend Graphit, Keramik und
Aluminiumtitanat besteht.
4. Pleuelstange nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte Bauteil (4) aus einem. Nitrid, vorzugsweise Bornitrid oder Siliziumnitrid, besteht.
5. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußmaterial Aluminium ist und das Bauteil (4) aus einem
Material der Gruppe umfassend Graphit und Bornitrid besteht.
6. Pleuelstange nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Bauteil (4) im wesentlichen über die ganze Länge des Pleuelschaftes (3) erstreckt.
EP90900158A 1988-12-24 1989-12-12 Pleuelstange Expired - Lifetime EP0452343B1 (de)

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EP0452343B1 EP0452343B1 (de) 1993-09-15

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